Modulo 4 Rocce sedimentarie carbonatiche

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1 Corsi di Formazione Professionale per Accompagnatori di media Montagna - Lezioni di Geologia e Geomorfologia Modulo 4 Rocce sedimentarie carbonatiche - almeno il 50% dei costituenti sono carbonatici; - rappresentano il 20-25% delle rocce sedimentarie; - informazioni sull'evoluzione biologica e biochimica del pianeta; - contengono circa il 50% delle riserve globali di idrocarburi; Prof. Francesco Brozzetti - Università G. d Annunzio, Pescara-Chieti

2 Gli ambienti marini a sedimentazione carbonatica Piattaforma carbonatica (es. Bahamas) L integrazione di studi sedimentologici, Petrografici e paleontologici indicano che le rocce carbonatiche possono deporsi in ambienti marini differenti dal punto di vista della profondità, temperatura e salinità delle acque. Grossolanamente tali ambienti possono essere suddivisi in due grandi tipologie: Ambienti di acqua bassa (alcune decine di m) definiti di «piattaforma carbonatica» A) Gran parte dei calcari mesozoici triassico-cretacei che formano l ossatura dell appennino centrale Abruzzese e laziale, caratterizzati da strati grigiobiancastri, spessi, macrofossiliferi, in genere privi di selce, (W Marsica, m.ti d Ocre, Sirente-Velino-Simbruini etc.) mostrano una notevole analogia (ambientale e biologica) con i depositi delle piattaforme di mare basso Bahamiane. Ambienti di acqua profonda (da alcune centinaiai di m a c.a 4 mila m) definiti bacinali o«pelagici» B) Le successioni di calcari sottilmente stratificati, selciferi, spesso policromi e poveri di macrofossili (aree Gran Sasso, Sibillini,,Morrone settentrionale, Genzana, area molisana etc.) sono invece riferibili ad ambienti pelagici di mare profondo C) Si riscontrano poi, nei settori intermedi fra i due precedenti successioni con caratteri transizionali, in cui a strati di tipo pelagico si intercalano strati derivanti dalla ri-mobilizzazione dei sedimenti di piattaforma (N Majella, Goriano Sicoli, Pacentro, M. Giano etc.)

3 Uno Sguardo all Abruzzo del Giurassico-Cretacico mostrerebbe: Spiagge bio-clastiche di sabbia bianca ricchissima in conchiglie e frammenti di una moltitudine di organismi di mare basso (lamellibranchi, gasteropodi, alghe verdi, coralli, spugne, echinodermi etc.) Amplissime (molti km) piane di marea soggette a continue emersioni e sommersioni e colonizzate da mangrovie Barre e spiagge fatte quasi esclusivamente da granuli sferoidali millimetrici di sabbia calcarea, detti ooliti o ooidi

4 Principali caratteristiche composizionali Le rocce carbonatiche sono costituite PRINCIPALMENTE da: Calcite CaCO 3 reagisce energicamente con l acido cloridrico (diluito al 5%), è semidura (3 della scala Mohs) e si scalfisce con l acciaio. Oppure da: Dolomite CaMg (CO 3 ) 2 si forma principalmente per sostituzione di calcite, in condizioni di diagenesi più o meno profonde ed in presenza di fluidi ricchi di Mg; reagisce molto debolmente all acido cloridrico (diluito al 5%), è semidura e si scalfisce con l acciaio Scala di Mohs in ordine di durezza crescente: Teneri (si scalfiscono con l unghia): 1 - Talco 2 - Gesso Semiduri (si rigano con una punta di acciaio): 3 - Calcite 4 - Fluorite 5 - Apatite Duri (non si rigano con una punta di acciaio): 6 - Ortoclasio 7 - Quarzo 8 - Topazio 9 - Corindone 10 - Diamante

5 Argilla (Argillite) Rocce Molto rare Argille marnose Marne argillose Schema classificativo composizionale delle principali Rocce carbonatiche

6 Dal punto di vista TESSITURALE, le rocce carbonatiche possono essere suddivise in: 1) ROCCE CARBONATICHE A TESSITURA PARTICELLARE: costituite da granuli, matrice e/o cemento; derivano dalla litificazione di sedimenti particellari (sciolti al momento della sedimentazione) che possono aver subito trasporto. 2) ROCCE CARBONATICHE FORMATE IN SITU: 2a) BIOCOSTRUITE - SECRETE: apparati bio-costruiti da organismi sedentari; il carbonato di calcio viene secreto all interno dei tessuti (es. scogliere coralline); - FISSATE: apparati accresciuti mediante l azione indiretta di alghe e batteri che intrappolano il sedimento carbonatico (es. stromatoliti); 2b) DA PRECIPITAZIONE CHIMICA - Carbonati concrezionati, derivanti dalla precipitazione chimica inorganica del carbonato di calcio (es. travertini e speleotemi carbonatici). 3) ROCCE CARBONATICHE CRISTALLINE (dolomie): Derivanti dalla sostituzione di calcite con dolomite; i cristalli di dolomite se formatici in condizioni favorevoli (es. in condizioni diagenetiche profonde) possono essere grandi e conferire alla roccia un aspetto saccaroide.

7 Rocce carbonatiche a tessitura particellare granuli matrice (fango carbonatico o micrite) granuli Cemento (sparite)

8 Origine del fango carbonatico in acqua bassa (prof. < 200 m) sulla base di dati geochimici (analisi isotopiche sull 18 O/ 16 O) si è appurato che gran parte del fango carbonatico ha un origine organica. In ambienti attuali i maggiori organismi contribuenti sono rappresentati da alghe calcaree, quali codiacee (es: Halimeda, Penicillus) e da altri organismi provvisti di eso-endo scheletro calcareo o parti di esso (quali molluschi, coralli, alghe rose, foraminiferi, echinodermi, etc.). Il contributo degli organismi alla produzione di fango carbonatico può essere diretto o indiretto: - Disintegrazione della parte scheletrica per rimozione della componente organica. Alcune alghe calcaree (es.: Codiacee, come Halimeda e Penicillus) possiedono, in parti diverse del loro tessuto vegetale, aciculi aragonitici (di taglia inferiore o prossima a 30µm); con la morte dell alga, questi aciculi aragonitici andranno a costituire il fango carbonatico. La produzione di fango può essere elevata. - Masticazione ed ingestione di scheletri di invertebrati da parte di organismi. In ambienti di scogliera, per esempio, i pesci pappagallo riducono a sedimento fine i coralli viventi ed alghe coralline - Rottura fisica ed abrasione in ambienti agitati: ogni particella carbonatica può essere rielaborata, sminuzzata fino a raggiungere le dimensione di un granulo di fango, dall azione di correnti, moto ondoso, tempeste etc.

9 Origine del fango carbonatico in ambiente pelagico La produzione maggiore, anche se i tassi di sedimentazione sono ridotti rispetto alle aree a minor profondità, è di origine organica e affidata alla decantazione di minutissimi organismi planctonici che si depositano sui fondali a formare melme carbonatiche fino a profondità di m (fanghi calcarei a foraminiferi planctonici, nannoplancton calcareo). Una parte del fango carbonatico che viene depositato in ambienti profondi può, in alcuni casi, provenire dalle aree a minor profondità, dalle quali viene trasportato attraverso processi vari.

10 Cementazione Precipitazione di nuovi minerali negli spazi porosi, intorno ai granuli Cementi : precipitato chimico che occlude totalmente o parzialmente gli spazi porosi Come si riconoscono: - i cristalli occupano lo spazio riempito precedentemente da fluidi e/o aria - crescono perpendicolarmente alle pareti della cavità e/o dei granuli - cristalli ben formati - plurigenerazioni di cemento Mineralogia: dipende dalla composizione chimica del fluido in cui si nucleano i cristalli I più comuni sono: - Calcitici: calcite spatica, sparite - Silicei

11 Granuli - ooidi, pisoidi, peloidi, granuli aggregati (botroidi), oncoidi Granuli di origine scheletrica (gusci interi e bioclasti) Granuli detritici (litoclasti s.l.) Fango carbonatico (micrite) f < 30 micron

12 le Alghe Calcaree svolgono un ruolo primario come produttrici di granuli Alghe dasycladaceae fossili Calcari di piattaforma del Morrone Alghe dasycladaceae attuali (piana tidale di Andros)

13 Approfondimento: due esempi di Classificazione delle Rocce Carbonatiche Classificazione delle Rocce Carbonatiche di Folk Classificazione su base granulometrica

14 Calcare micritico (calcilutite)

15 bioclasto Calcare micritico con bioclasti

16 Calcare oolitico (calcarenite) ooidi 2 mm

17 Calcare organogeno a bioclasti (calcirudite) bioclasto 2 mm

18 Calcare organogeno a Nummuliti

19 ROCCE CARBONATICHE FORMATE IN SITU BIOCOSTRUITE - SECRETE: apparati bio-costruiti da organismi sedentari; il carbonato di calcio viene secreto all interno dei tessuti (es. scogliere coralline); - FISSATE: apparati accresciuti mediante l azione indiretta di alghe e batteri che intrappolano il sedimento carbonatico (es. stromatoliti);

20 Ere geologiche Importanza relativa dei gruppi di organismi nella produzione di sedimento carbonatico durante le ere geologiche. Modificato da Wilkinson (1979). Dominante Importante Minore

21 Coralli fossili

22 Stromatoliti attuali

23 Stromatoliti

24 Travertini Sono microcristallini, hanno spesso una tessitura vacuolare, frequentemente con cavità a forma di foglie e fusti che fanno chiaramente dedurre che si tratta di incrostazioni di vegetali (i quali successivamente alla precipitazione chimica si decompongono e scompaiono). Si formano in acque dolci per: - Rapida evaporazione, lungo fiumi e cascate in cui una parte dell acqua è finemente polverizzata; - Venuta a giorno di acque termali, ricche in bicarbonato di calcio e con forte potere incrostante; - Percolazione lenta di acque sature in bicarbonato di calcio (es. grotte) - Azione indiretta di organismi (es. muschi, alghe, batteri, funghi etc) che sottraggono CO 2 all acqua e favoriscono la precipitazione di CaCO 3.

25 La pressione parziale della CO 2 in acqua controlla la solubilità del carbonato di calcio CaCO 3 + H 2 CO 3 Ca (HCO 3 ) - in ambiente alcalino il CaCO 3 precipita in ambiente acido il CaCO 3 viene disciolto Anidride carbonica Precipitazione di CaCo 3

26 Travertino stromatolitico incrostazioni in situ a prevalente crescita orizzontale

27 Travertino fitoermale incrostazioni in situ su piante igrofile, con ampi spazi porosi.

28 Origine della dolomite Le dolomie possono essere di precipitazione diretta (primarie) o di sostituzione. La precipitazione diretta di dolomie dall'acqua marina è un processo rarissimo. La maggior parte delle dolomie ha origine per sostituzione della calcite da parte della dolomite, per dissoluzione di CaCO 3 e simultanea precipitazione di CaMg(CO 3 ) 2 da una soluzione che attraversa il sedimento o la roccia carbonatica originaria. 2CaCO 3 + Mg 2+ = CaMg(CO 3 ) 2 + Ca 2+ Condizioni: - elevato rapporto Mg/Ca - Basse concentrazioni di ione solfato SO presenza di fluidi dolomitizzanti - sufficiente tempo

29 I processi di sostituzione possono avvenire: - durante la diagenesi precoce, in ambiente sedimentario (sostituzione anteriore alla completa litificazione del precursore carbonatico): Dolomie diagenetiche Le dolomie diagenetiche sono dolomie a grana finissima; si preservano le tessiture e le strutture del precursore calcitico. - durante la diagenesi da seppellimento (diagenesi tardiva) (sostituzione posteriore alla completa litificazione del precursore carbonatico): Dolomie epidiagenetiche Le dolomie epidiagenetiche sono dolomie a grana grossolana (saccaroide), con cristalli romboedrici di dolomite che obliterano le tessiture e le strutture del precursore calcitico.

30 Dolomie diagenetiche (grana finissima): si preservano le tessiture e le strutture del precursore calcitico

31 Dolomie epidiagenetiche, a grana grossolana (saccaroide). Cristalli romboedrici di dolomite che obliterano le tessiture e le strutture del precursore calcitico.

32 Costituente principale: Rocce sedimentarie silicee Silice SiO 2 - selce (quarzo microcristallino): individui cristallini tra 5 e 20µm; - calcedonio: cristalli aciculari di quarzo di dimensioni dell ordine di 100 µm (quarzo con estinzione fibroso-raggiata); - opale-a (opale amorfo): silice amorfa (costituisce il guscio di organismi) Esiste la possibilità che la selce precipiti direttamente dall'acqua marina. Tuttavia, l'acqua marina e' fortemente sottosatura in silice, per cui la precipitazione diretta di opale e di quarzo e' poco probabile.

33 Origine: - Sedimenti (rocce) silicee di origine biogenica: accumulo di organismi a guscio siliceo (radiolari, spicole di spugne silicee, diatomee, silicoflagellati) in acque molto profonde; si originano le Selci stratificate: radiolariti, spongoliti e spicoliti, diatomiti, diaspri (rossi e verdi); - Selce di origine diagentica: per sostituzione di un precursore carbonatico; si originano le Selci nodulari o stratiformi: letti, lenti e noduli più o meno coalescenti nei calcari, di colore variabile.

34 Scala di Mohs in ordine di durezza crescente: Teneri (si scalfiscono con l unghia): 1 - Talco 2 - Gesso Semiduri (si rigano con una punta di acciaio): 3 - Calcite 4 - Fluorite 5 - Apatite Duri (non si rigano con una punta di acciaio): 6 - Ortoclasio 7 - Quarzo 8 - Topazio 9 - Corindone 10 - Diamante SELCE = Quarzo microcristallino E dura. Spesso la frattura è concoide. Non reagisce all HCl. Scalfisce il martello Colore Le selci hanno colori molto vari, spesso vivacissimi (rosso, verde, nero, giallo, bianco), possono essere variegate o a macchie.

35 Dall accumulo e diagenesi dei sedimenti silicei biogenici si originano le SELCI STRATIFICATE Sono rocce silicee stratificate a notevole estensione laterale. Fra le più comuni abbiamo: - Radiolariti e diaspri (rossi e verdi, per la presenza di ossidi di Ferro ferrico e ferroso) - spongoliti, spiculiti - diatomiti radiolari Immagini microscopiche dimensioni medie 500 micron visibili alla lente 10X Radiolari e spicole di spugna

36 Selci nodulari (origine diagenetica) Si tratta di corpi di selce all interno dei calcari dalla forma di noduli e lenti più o meno grandi e più o meno coalescenti. Il colore è variabile (rosso, nero, grigio, verde, giallo crema) L origine è diagenetica, cioè si formano per sostituzione del carbonato da parte della silice (la tessitura può rimanere inalterata). Nodulo di selce in calcare Roccia calcarea silicizzata (si riconosce la tessitura originaria) La significativa differenza fra la formazione di noduli di selce in rocce calcaree e di selci stratiformi è determinata dal volume di silice all interno del sedimento originale. Se i resti silicei costituiscono solo una percentuale minore del sedimento carbonatico, si realizzano le condizioni per la formazione di noduli di selce durante la diagenesi: - la silice biogenica disseminata nel sedimento si discioglie e riprecipita sotto forma di opale attorno a centri di aggregazione favorevole (materia organica, pori); - prima vengono riempiti I vuoti, poi vengono sostituiti grani e matrice; - la maturazione dell opale in quarzo microcristallino (selce) e calcedonio avviene dall interno verso l esterno del nodulo.

37 frattura concoide Selci diagenetiche. Strati di calcari più porosi possono essere silicizzati più facilmente, originando strati di selce anche molto continui lateralmente. Strati di selce si possono originare dalla coalescenza di noduli e lenti.

38 Rocce sedimentarie evaporitiche Sono rocce di origine chimica, originate per precipitazione diretta da soluzioni concentrate in acque marine e, eccezionalmente, in acque continentali di: Principalmente si tratta di Solfati, cloruri, carbonati La labilità chimica dei costituenti di queste rocce è alta: possono facilmente essere degradati e/o tornare in soluzione. Minerali più comuni e geologicamente importanti: Gesso: CaSO 4 2H 2 O Anidrite: CaSO 4 Salgemma: NaCl più raramente: - solfati di Na, Mg, solfati doppi e tripli di Na, Mg, Ca, K - silvite (KCl) - carnallite (KCl. MgCl2.6H2O) - bishovite (MgCl2.6H2O)

39 acqua marina normale: sottosatura concentrando acqua marina------> gesso, salgemma, sali più solubili Sequenza dei minerali evaporitici che si depositano per evaporazione di acqua marina. Da un litro di acqua marina con salinità del 38.4 per mille a 12.5 C si depositano in sequenza: 3.31 gr di MgCl 2, 0.55 gr di NaBr e 0.53 gr di KCl quando il volume e' ridotto a 1/ gr di salgemma e 2.47 gr di MgSO 4 quando il volume e' ridotto a 1/ gr di gesso quando il volume e' ridotto a 1/5 Esperimento di Usiglio (1849) 0.11 gr di carbonato di calcio (CaCO 3 ) quando il volume e' ridotto a 1/2

40 Per far depositare un metro di sali dobbiamo far evaporare 64.6 metri di acqua marina. Per 3 metri di gesso, cosa piuttosto comune in natura, occorrerebbe far evaporare una colonna di acqua marina di circa 7.5 chilometri! Quindi, per avere notevoli spessori di evaporiti (es. i depositi evaporitici messiniani), dobbiamo avere: - evaporazione, - continuo apporto di nuova acqua marina e - subsidenza del bacino di sedimentazione.

41 Gesso selenitico (primario) Gesso (CaSO 4-2H 2 O) solfato di calcio idrato che precipita direttamente dall'acqua marina (gesso primario) o può derivare dall idratazione dell anidrite (gesso secondario) Scala di Mohs Gesso secondario (non idiomorfo) Rosa del deserto (gesso primario) Gesso microcristallino (primario) in ordine di durezza crescente: Teneri (si scalfiscono con l unghia): 1 - Talco 2 - Gesso Semiduri (si rigano con una punta di acciaio): 3 - Calcite 4 - Fluorite 5 - Apatite Duri (non si rigano con una punta di acciaio): 6 - Ortoclasio 7 - Quarzo 8 - Topazio 9 - Corindone 10 - Diamante Non reagisce all HCl!!

42 Anidrite (CaSO 4 ) solfato di calcio anidro che comunemente deriva dalla disidratazione del gesso e in casi particolari precipita direttamente da acqua marina. Anidrite

43 Gesso microcristallino laminato Si forma per precipitazione in acqua libera e decantazione, con formazione di lamine pianoparallele che possono essere successivamente deformate. NB: laminazioni possono essere anche dovute a risedimentazione di frammenti di gesso per effetto di correnti trattive (in questo caso il deposito è clastico; es. gessoareniti).

44 Gesso selenitico a ferro di lancia o a coda di rondine (gesso primario) Si forma per precipitazione di gesso sul fondo. Si possono osservare cristalli di gesso in posizione di crescita a formare strutture del tipo ciuffi, cavolfiori o palizzate : i cristalli sono conficcati sul fondo (o su tappeti algali) con la punta rivolta verso il basso e crescono verticalmente con la stessa orientazione. ciuffi cavolfiori palizzate Gesso selenitico a ferro di lancia (o coda di rondine ) Particolare delle impurità all interno del cristallo Rosa del deserto (gesso primario) Si forma per precipitazione di gesso all interno del sedimento sotto forma di cristalli lenticolari che inglobano il sedimento circostante (sabbia).

45 Anidrite

46 Gesso secondario

47 Rocce Solfatiche membro Gessarenitico della Formazione della laga ( o Flysch della Laga) Le gessareniti messiniane presso Montorio al vomano Particolare del weathering carsico superficiale subito dalle gessareniti

48 Rocce residuali Quando processi di degradazione di rocce cristalline o sedimentarie avvengono con grande velocità per particolari condizioni climatiche (di norma alle latitudini mediobasse), i materiali residuali formatisi possono rimanere in situ, formando anche potenti profili di alterazione (es. lateriti). Oppure possono essere più o meno trasportati. I tipi più comuni di rocce residuali così formate sono: LATERITI, BAUXITI e ARGILLE RESIDUALI. LATERITI sono le rocce residuali più importanti. Sono caratterizzate da un arricchimento in ossidi e idrossidi di Fe e Al con perdita di silice (laterizzazione). BAUXITI sono rocce residuali meno comuni. Differiscono dalle lateriti per un più basso tenore in silice e per una maggiore quantità di allumina, oltre che per un maggiore rimaneggiamento meccanico. Si distinguono Bauxiti lateritiche, che prendono origine da rocce cristalline, e Bauxiti carsiche, che riposano su rocce carbonatiche di cui possono rappresentare almeno in parte il residuo insolubile o su cui semplicemente poggiano (es. bauxiti derivate da degradazione di depositi piroclastici). ARGILLE RESIDUALI hanno una composizione che è funzione delle condizioni climatiche. Nei climi temperati umidi a vegetazione forestale si verifica un arricchimento in composti di Al e Fe; tra i minerali argillosi prevale la kaolinite. Nei climi aridi invece avviene un arricchimento in Ca e Mg, ed il minerale argilloso prevalente è la montmorillonite. Nei climi caldo umidi i minerali argillosi sono assenti o molto scarsi, e i processi di degradazione portano alla formazione di lateriti.

49 BAUXITE La Bauxite deve il suo nome a Le Baux de Provence, la località francese dei Pirenei in cui fu identificata poco più di cento anni fa. E una roccia di colore che va dal rosso bruno al giallo ocra, costituita principalmente da GIBBSITE e BOEHMITE, che sono i veri minerali della Bauxite, assieme ad altri idrossidi di alluminio, sostanze amorfe e prodotti argillosi, che conferiscono le varie colorazioni. Infatti, la Bauxite pura è di colore bianco. Il Corindone (o Rubino) non è altro che una Bauxite che ha subito un processo di disidratazione dovuto ad elevate pressioni e temperature. La formula di riferimento della Bauxite è Al 2 O 3.nH 2 O cioè è un Allumina idrata. E la roccia più importante per la produzione industriale dell Allumino. In essa i trova la maggior concentrazione di Alluminio (65-85%), se si esclude il Corindone da cui però non è possibile ricavare il metallo mediante i normali processi di riduzione pirometallurgici a causa l elevata refrattarietà e l alta temperatura di fusione. I maggiori giacimenti di Bauxite si trovano nelle aree tropicali e subtropicali come Australia, Guinea, Giamaica, Guyana inglese, India ma anche negli USA, in Russia, Cina, Ungheria e nella ex-jugoslavia. In Italia si hanno giacimenti di modeste dimensioni nel Gargano e nelle Murge (Puglia), nel Matese (Basilicata) e nella Marsica (Abruzzo). Per la produzione di 1 tonnellata di Allumina sono necessari tra i 3000 e i 4000 kwh di energia e circa t di Bauxite. Per la produzione di 1 tonnellata di Alluminio sono necessari 2 t di Allumina e circa kwh di energia. Le riserve conosciute della Bauxite da sole consentirebbero di andare avanti all attuale tasso di consumo per tremila anni, e nuovi giacimenti vengono scoperti ad un ritmo doppio di quello del consumo. Inoltre la ricerca di fonti alternative, quali materiali a base di caolino, procede velocemente. La bauxite si raccoglie in giacimenti a cielo aperto ed è abitudine predisporre piani di reintegrazione del paesaggio prima che comincino i lavori di scavo, così che il territorio venga recuperato per il rimboschimento o per qualsiasi altra forma di reintegrazione appropriata per l ambiente. E economicamente ragionevole ridurre la bauxite in allumina prima della spedizione agli smelters cioè ai fonditori, dando luogo ad industria ed occupazione locali nei Paesi in via di sviluppo dove usualmente si trovano i principali giacimenti di bauxite.

50 Rocce Residuali: le Bauxiti cenomaniane della successione di piattaforma carbonatica abruzzese: esempi dall area di Campo felice Miniera di M. Orsello punto 1 in carta 1 2 Estratto della Carta Geologica d Italia Foglio «L Aquila, 1: » Area Campo Felice - Casamaina Lo stesso orizzonte visto sopra da origine ad una piccola sacca bauxitica metrica- strada per La Vecchia Miniera (punto 2 in carta) I livelli disegnati in viola rappresentano Orizzonti e sacche bauxitiche